Wykad 2 Ciepo i praca I zasada termodynamiki

Wykład 2 Ciepło i praca I zasada termodynamiki Mechanizmy przekazywania ciepła 1

Ciepło i praca Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Gaz zamknięty w cylindrze z ruchomym tłokiem. Ciepło można dostarczać do gazu lub odbierać od gazu, zmieniając temperaturę T zbiornika cieplnego. Praca W jest wykonywana dzięki podnoszeniu lub opuszczaniu tłoka 2 Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc

Sprawdzian Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Zamieszczony wykres p-V przedstawia sześć krzywych (połączonych pionowymi odcinkami), opisujących przemiany, którym poddawany jest gaz. Którą parę krzywych należy wybrać, aby praca wykonana przez gaz w cyklu miała największą wartość dodatnią? 3

Pierwsza zasada termodynamiki Energia wewnętrzna układu rośnie gdy do układu dostarczamy ciepło i maleje, gdy układ wykonuje pracę Sprawdzian Na rysunku przedstawiono we współrzędnych p-V cztery krzywe opisujące przemiany gazu od punktu i do f. Uszereguj krzywe według odpowiadającej im: a) Zmiany energii wewnętrznej b) Wartości pracy W wykonanej przez gaz c) Wartości ciepła Q przekazanego do układu d) Zacznij od wartości największej Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc 4

Szczególne przypadki pierwszej zasady termodynamiki Przemiana warunek Adiabatyczna stała objętość cykl zamknięty rozprężanie swobodne Q=0 W=0 wynik Q=W=0 Realizacja przemiany adiabatycznej Swobodne rozprężanie gazu Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc 5

Sprawdzian Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Pokazany na rysunku wykres p-V przedstawia pewną przemianę cykliczną. Czy w jednym pełnym cyklu: a) Zmiana energii wewnętrznej układu i b) Wypadkowa energia wymieniana w postaci ciepła Q przez układ z otoczeniem c) mają wartość dodatnią, ujemną, czy równą zeru? 6

Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Przykład Zamieniamy 1 kg wody o temperaturze 100 o. C w parę o temperaturze również 100 o. C, pozwalając wodzie wrzeć pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym (1 atm, czyli 1, 01 x 105 Pa) w układzie przedstawionym na rysunku. Objętość wody zmienia się od wartości początkowej 1 x 10 -3 m 3 dla cieczy do 1, 671 m 3, kiedy ma ona postać pary. a) Jaką pracę wykonuje układ w tym procesie? b) Jaką energię otrzymuje układ podczas ogrzewania? c) Ile wynosi zmiana energii wewnętrznej układu w rozważanym procesie? 7

Mechanizmy przekazywania ciepła Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc S 1) Przewodnictwo cieplne Energia przepływa w postaci ciepła od zbiornika o temperaturze TH do zbiornika o niższej temperaturze TC przez przewodzącą ciepło płytkę o grubości L, przekroju S i przewodności cieplnej właściwej k Przewodność cieplna właściwa (przewodnictwo cieplne) k to stosunek ilości energii cieplnej przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię do gradientu temperatury 8

Przewodność cieplna właściwa k wybranych substancji Opór cieplny, analogia z oporem elektrycznym. Różnica temperatur gra rolę napięcia, moc przewodzona rolę gęstości prądu. Jednostką oporu cieplnego jest kelwin/wat [K/W] k [W/m. K] metale stal nierdzewna ołów aluminium miedź srebro 14 35 235 401 428 gazy powietrze (suche) hel wodór 0, 026 0, 15 0, 18 materiały budowlane pianka poliuretanowa wełna mineralna wata szklana drewno sosnowe beton komórkowy szkło okienne cegła beton zwykły granit 0, 024 0, 043 0, 048 0, 11 0, 16 1, 0 0, 8 1, 5 3, 2 9

Przewodzenie ciepła przez płytkę wielowarstwową Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Strumień cieplny przepływający przez obie warstwy musi być taki sam: Stacjonarny strumień ciepła przez płytkę wykonaną z dwóch różnych materiałów, o tym samym przekroju ale o różnej grubości. W stanie stacjonarnym temperatura TX na granicy pomiędzy dwoma materiałami ma ustaloną wartość zależną od wypadkowego oporu cieplnego 10

Sprawdzian Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Ośrodek przewodzący składa się z czterech warstw o jednakowej grubości i przekroju, wykonanych z czterech różnych materiałów. Na rysunku podano temperatury na powierzchniach bocznych i granicznych pomiędzy warstwami, zmierzone dla stacjonarnego strumienia cieplnego. Uszereguj warstwy według ich przewodności cieplnej właściwej, zaczynając od największej wartości 11

Przykład Copyright 2005 John Wiley and Sons, Inc Na rysunku przedstawiono przekrój ściany wykonanej z warswy drewna sosnowego o grubości La i muru ceglanego o o grubości Ld (= 2 La), rozdzielonych dwiema warstwami o jednakowej grubości i takiej samej przewodności właściwej, wykonanymi z nieznanego materiału. Przewodność cieplna właściwa drewna sosnowego jest równa ka a cegieł kd (= 5 ka). Strumień ciepła przechodzący przez ścianę osiągnął stan stacjonarny. Jedyne znane temperatury na powierzchniach granicznych to T 1 = 25 o. C, T 2 = 20 o. C i T 5 = -10 o. C. Jaką wartość ma temperatura T 4? 12

Mechanizmy przekazywania ciepła 2) Konwekcja i 3) promieniowanie cieplne http: //aneksy. pwn. pl/podstawy_fizyki/? id=805 Pprom – moc promieniowania cieplnego emitowanego przez ciało w postaci fal elektromagnetycznych, = 5, 6703 x 10 -8 W/m 2 K 4 – stała Stefana – Boltzmanna – zdolność emisyjna powierzchni ciała S – powierzchnia ciała T – temperatura ciała moc promieniowania cieplnego absorbowanego przez ciało z otoczenia 13